燃料電池技術(shù)

近幾年我國燃料電池的研究開發(fā)取得了長足的進展，特別在質(zhì)子交換膜燃料電池方面，達到或接近了世界水平；在熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池技術(shù)等方面也取得一些進展。但在總體上，我國燃料電池仍處于科研階段，與國外相比，水平較低。發(fā)達國家都已將大型燃料電池的開發(fā)作為重點研究項目，并取得了許多重要成果，各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼建成，即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機及內(nèi)燃機而廣泛應用于發(fā)電及汽車動力。我國應集中研究力量，加大投入，大力推動燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)和應用工作。

燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒而以電化學反應方式將燃料的化學能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，可以用天然氣、石油液化氣、煤氣等作為燃料。也是煤炭潔凈轉(zhuǎn)化技術(shù)之一。按電解質(zhì)種類可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（pAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（pEMFC）、再生氫氧燃料電池(RFC)、直接醇類燃料電池（DMFC），還有如新型儲能電池、固體聚合物型電池等。

氫和氧氣是燃料電池常用的燃料氣和氧化劑。此外，CO等一些氣體也可作為MCFC與SOFC的燃料。從長遠發(fā)展看，高溫型MCFC和SOFC系統(tǒng)是利用煤炭資源進行高效、清潔發(fā)電的有效途徑。我國豐富的煤炭資源是燃料電池所需燃料的巨大來源。

燃料電池具有高效率、無污染、建設周期短、易維護以及成本低的誘人特點，它不僅是汽車最有前途的替代清潔能源，還能廣泛用于航天飛機、特種、水下機器人、通訊系統(tǒng)、中小規(guī)模電站、家用電源，又非常適合提供移動、分散電源和接近終端用戶的電力供給，還能解決電網(wǎng)調(diào)峰問題。隨著燃料電池的商業(yè)化推廣，市場前景十分廣闊。人們預測，燃料電池將成為繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式[1]，它將引發(fā)21世紀新能源與環(huán)保的綠色革命。

1，中國燃料電池技術(shù)的進展

“燃料電池技術(shù)”是我國“九五”期間的重大發(fā)展項目，目標是，利用我國的資源優(yōu)勢，從高起點做起，加強創(chuàng)新；在“九五”期間，使我國燃料電池的技術(shù)發(fā)展接近國際水平。內(nèi)容包括“質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)”、“熔融碳酸鹽燃料電池技術(shù)”及“固體氧化物燃料電池技術(shù)”三大項目[2]，其中，用于電動汽車的“5kW質(zhì)子交換膜燃料電池”列為開發(fā)的重點。此項任務由中國科學院及部門所屬若干研究所承擔。所定目標業(yè)已全部實現(xiàn)。

在質(zhì)子交換膜燃料電池（pEMFC）方面，我國研究開發(fā)的這類電池已經(jīng)達到可以裝車的技術(shù)水平，可以與世界發(fā)達國家競爭，而且在市場份額上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我國自把質(zhì)子交換膜燃料電池列為"九五"科技攻關(guān)計劃的重點項目以后，以大連化學物理研究所為牽頭單位，在全國范圍內(nèi)全面開展了質(zhì)子交換膜燃料電池的電池材料與電池系統(tǒng)的研究，取得了很大進展，相繼組裝了多臺百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW電池組與電池系統(tǒng)。5kW電池組包括內(nèi)增濕部分,其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。質(zhì)子交換膜燃料電池自行車已研制成功，現(xiàn)已開發(fā)出200瓦電動自行車用燃料電池系統(tǒng)。百瓦級移動動力源和5kW移動通訊機站動力源也已開發(fā)成功。千瓦級電池系統(tǒng)作為動力源，已成功地進行了應用試驗。由6臺5kW電池組構(gòu)成的30kW電池系統(tǒng)已成功地用作中國首臺燃料電池輕型客車動力源。裝車電池最大輸出功率達46千瓦。目前該車最高時速達60.6km/h，為燃料電池電動汽車以及混合動力電動汽車的發(fā)展打下良好的基礎。該電池堆整體性能相當于奔馳、福特與加拿大巴拉德公司聯(lián)合開發(fā)的MK7質(zhì)子交換膜燃料電池電動車的水平[3]。我國目前正在進行大功率質(zhì)子交換膜燃料電池組的開發(fā)和燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)集成的研究。

在熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）方面，我國已經(jīng)研制出α和γ型偏鋁酸鋰粗、細粉料，制備出大面積（大于0.2m2）的電池隔膜，預測隔膜壽命超過3萬小時。在進行材料部件研究的基礎上，成功組裝和運行了千瓦級電池組。

在固體氧化物燃料電池（SOFC）技術(shù)方面，已經(jīng)制備出厚度為5-10μm的負載型致密YSZ電解質(zhì)薄膜，研制出一種能用作中溫SOFC連接體的Ni基不銹鋼材料。負載型YSZ薄膜基中溫SOFC單體電池的最大輸出功率密度達到0.4W/cm2,負載型LSGM薄膜基中溫SOFC單體電池的最大輸出功率密度達到0.8W/cm2。這些技術(shù)創(chuàng)新為研制千瓦級、十千瓦級中溫固體氧化物燃料電池發(fā)電技術(shù)的研發(fā)奠定了堅實基礎。

2，國外燃料電池技術(shù)發(fā)展迅猛

燃料電池是新世紀最有前途的清潔能源，是替代傳統(tǒng)能源的最佳選擇。因此，燃料電池技術(shù)的研究開發(fā)受到許多國家的政府和跨國大公司的極大重視。美國將燃料電池技術(shù)列為涉及國家安全的技術(shù)之一，《時代》周刊將燃料電池電動汽車列為21世紀10大高技術(shù)之首；日本政府認為燃料電池技術(shù)是21世紀能源環(huán)境領(lǐng)域的核心；加拿大計劃將燃料電池發(fā)展成國家的支柱產(chǎn)業(yè)。近十年來，國外政府和企業(yè)在燃料電池方面的投資額超過100億美元。為開發(fā)燃料電池，戴姆勒－克萊斯勒公司一家近年來每年就投入10億美元，豐田公司的年投資額超過50億日元[4]。

歐、美發(fā)達國家和日本等國政府和企業(yè)界都將大型燃料電池的開發(fā)作為重點研究項目，并且已取得了許多重要成果，pEMFC技術(shù)已發(fā)展到實用階段，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機及內(nèi)燃機而廣泛應用于發(fā)電及汽車上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設備已進入商業(yè)化生產(chǎn)，用于特種、航天、汽車、醫(yī)院、工廠、居民區(qū)等方面；各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達國家建成，其中，國際燃料電池產(chǎn)業(yè)巨頭加拿大巴拉德公司籌資3.2億美元，建成的燃料電池廠已于2001年２月正式投產(chǎn)。美國和歐洲將成批生產(chǎn)低成本的家用供電－供暖燃料電池作為最近的開發(fā)計劃。目前，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正快速進入工業(yè)化規(guī)模應用的階段。

目前，車用氫燃料電池已成為世界各大汽車公司技術(shù)開發(fā)的重中之重。迄今為止，世界６大汽車公司在開發(fā)氫燃料電池車上的開發(fā)費用已超過100億美元，并以每年10億美元的速度遞增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的車用燃料電池就達41種。

3，我國開發(fā)燃料電池技術(shù)相對乏力

我國研究燃料電池有過起落。在20世紀60年代曾開展過多種燃料電池的實驗室研究，70年代投入大量人力物力開展用于空間技術(shù)的燃料電池研究，其后研究工作長期停頓。最近幾年，我國才開始重新重視燃料電池技術(shù)的研究開發(fā)，并取得很大進展。特別在pEMFC方面，達到或接近了世界水平。但是，在總體上，我國燃料電池的研究開發(fā)剛剛起步，仍處于科研階段，與國外相比，我國的燃料電池研究水平還較低，我國對燃料電池的組織開發(fā)力度還遠遠不夠。作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，開發(fā)以煤作為一次能源的高溫型MCFC和SOFC具有特別重要的意義。但是我國在MCFC、SOFC研究方面與國外的差距很大，要實現(xiàn)實用化、商業(yè)化應用還有很長的路要走。迄今為止，我國還沒有燃料電池發(fā)電站的應用實例。這和我國這樣一個大國的地位很不相稱。盡管國家也將燃料電池技術(shù)列為"九五"攻關(guān)項目，國家和企業(yè)投入的資金卻極為有限，年度經(jīng)費僅為千萬元量級人民幣，與發(fā)達國家數(shù)億美元的投入相比顯得微不足道；承擔研究任務的也只是中科院等少數(shù)科研院所，且研究力量分散，缺少企業(yè)的介入，難以取得突破性進展，尤其是難以將取得的研究成果進行實際應用試驗，以形成產(chǎn)業(yè)化趨勢。從表1所列國外燃料電池的研究和開發(fā)情況看，歐、美國家和日本等大多是以公司企業(yè)為主在從事燃料電池的研究開發(fā)和制造生產(chǎn)，而且規(guī)模很大，例如，僅加拿大的Ballard一家公司的資產(chǎn)就達10億美元。

4，大力發(fā)展燃料電池技術(shù)勢在必行

從世界燃料電池迅猛發(fā)展的勢頭看，本世紀頭十年將是燃料電池發(fā)電技術(shù)商品化、產(chǎn)業(yè)化的重要階段，其技術(shù)實用性、生產(chǎn)成本等都將取得重大突破。預計燃料電池系統(tǒng)將在潔凈煤燃料電池電站、電動汽車、移動電源、不間斷電源、特種及空間電源等方面有著廣泛的應用前景，潛在市場十分巨大?？梢灶A料，分散電源供電系統(tǒng)——燃料電池發(fā)電廠必將在21世紀內(nèi)取代以“大機組、大電網(wǎng)、高電壓”為主要特征的現(xiàn)代電力系統(tǒng)，成為電力行業(yè)的主力軍。而燃料電池的普遍推廣應用，必將在能源及相關(guān)領(lǐng)域引發(fā)一場深刻的革命，促進新興產(chǎn)業(yè)的形成，帶動國民經(jīng)濟高速發(fā)展。能源領(lǐng)域的這場革命是我國政府、企業(yè)、科研院所、高等院校不得不正視的課題，我們對此必須有充分認識并給予足夠的重視。我們應該準確把握這場革命所帶給我們的機遇，毫不遲疑地投入足夠的人力、物力、財力，推動燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)和應用工作，使之早日實用化產(chǎn)業(yè)化，為我國的國家能源安全和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展服務。

國家計委在1997年提出的中國潔凈煤技術(shù)到2010年的發(fā)展綱要中，已把燃料電池列為煤炭工業(yè)潔凈煤的14項技術(shù)重點發(fā)展目標之一[6]。在“十五”科技發(fā)展規(guī)劃中，燃料電池技術(shù)被列為重點實施的重大項目[7]。

鑒于世界燃料電池發(fā)電技術(shù)的發(fā)展迅猛、市場廣闊的前景和我國長遠發(fā)展的戰(zhàn)略需要，國家科技部、國家計委、國家經(jīng)貿(mào)委應該聯(lián)合制訂我國燃料電池發(fā)電技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃，既要組織有關(guān)高等院校、科研院所積極攻關(guān)，更要引導國家電力公司、石油集團、石化集團及汽車、機械制造等工業(yè)企業(yè)熱情參與，集中力量，加大人力、物力、財力的投入，急起直追，共同推進燃料電池發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)。在具體做法上，我們應從高起點起步，整機引進國外的燃料電池發(fā)電設備，可先引進規(guī)模較小的電池堆。在努力消化吸收的基礎上，積極創(chuàng)新，這樣可以使我們更快地掌握高技術(shù)，有利于加快我國燃料電池電站技術(shù)的發(fā)展。

另外，MCFC和SOFC對我國具有特別重要的意義，對此，我國近期應選好整體技術(shù)的突破點，加強多孔、薄膜電極過程動力學理論、新型關(guān)鍵材料的設計、制備及多相復雜界面等方面的基礎研究。